JPWO2013121519A1 - Ｉｇｂｔ、及び、ｉｇｂｔの製造方法 - Google Patents

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Abstract

ｎ型のエミッタ領域と、ｐ型のトップボディ領域と、ｎ型の中間領域と、ｐ型のボトムボディ領域と、ｎ型のドリフト領域と、ｐ型のコレクタ領域と、半導体基板の上面から、エミッタ領域、トップボディ領域、中間領域、及び、ボトムボディ領域を貫通してドリフト領域に達する複数のトレンチと、トレンチ内に形成されているゲート電極を有するＩＧＢＴの製造方法を提供する。この製造方法は、半導体基板の上面にトレンチを形成する工程と、トレンチ内に絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜の形成後に、半導体基板上及びトレンチ内に電極層を形成する工程と、電極層の上面を平坦化する工程と、電極層の上面を平坦化後に、半導体基板の上面側から中間領域の深さにｎ型不純物を注入する工程を有する。

Description

本明細書に開示の技術は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子に関する。
日本国特許公開公報２０１０−１０３３２６（以下、特許文献１という）には、ＩＧＢＴが開示されている。このＩＧＢＴでは、ｎ型の中間領域によって、ボディ領域が、トップボディ領域とボトムボディ領域に分離されている。また、このＩＧＢＴは、トップボディ領域、中間領域、及び、ボトムボディ領域を貫通してドリフト領域に達するトレンチ型のゲート電極を有している。このようにボディ領域内に中間領域を設けることで、ＩＧＢＴがオンしているときにドリフト領域内のホールがトップボディ領域に流出することを抑制することができる。これによって、ドリフト領域内により多くのホールを蓄積することが可能となり、ＩＧＢＴのオン電圧を低減することができる。
上述した中間領域を有するＩＧＢＴの特性、特に、ゲート閾値、オン電圧、ゲート電極の容量等は、ゲート絶縁膜近傍の中間領域のｎ型不純物濃度によって大きく変化する。従来は、ゲート絶縁膜近傍の中間領域のｎ型不純物濃度を正確に制御することが困難であった。このため、ＩＧＢＴを量産するときに、ＩＧＢＴの間で特性のばらつきが大きいという問題があった。したがって、本明細書では、中間領域を有するとともに、量産時に特性のばらつきが生じ難い構造を有するＩＧＢＴを提供する。
発明者らは、ゲート絶縁膜近傍の中間領域のｎ型不純物濃度が、ゲート絶縁膜近傍の中間領域の下端の深さに関係することを見出した。すなわち、中間領域を形成するためのイオン注入では、ゲート電極の形状の影響を受けて、ゲート絶縁膜近傍ではその他の領域よりもイオンが注入される深さが深くなる傾向にある。このため、例えば図１７に示すように、ゲート絶縁膜４２近傍の中間領域２４の下端の深さと、ゲート絶縁膜４２から離れた位置の中間領域２４の下端の深さとの間に差ΔＤ１が生じる。ゲート絶縁膜近傍の中間領域の下端の深さによって、ゲート絶縁膜近傍の中間領域（例えば、図１７では参照番号２４ｓに示す領域）内のｎ型不純物の濃度分布は変化する。本発明者らは、中間領域の下端の深さを所定の値に制御することで、ゲート絶縁膜近傍の中間領域におけるｎ型不純物濃度を正確に制御できることを見出した。
本明細書が開示する第１のＩＧＢＴは、ｎ型のエミッタ領域と、エミッタ領域の下側に形成されているｐ型のトップボディ領域と、トップボディ領域の下側に形成されているｎ型の中間領域と、中間領域の下側に形成されているｐ型のボトムボディ領域と、ボトムボディ領域の下側に形成されているｎ型のドリフト領域と、ドリフト領域に接しているｐ型のコレクタ領域と、半導体基板の上面から、エミッタ領域、トップボディ領域、中間領域、及び、ボトムボディ領域を貫通してドリフト領域に達する複数のトレンチと、トレンチ内に形成されており、エミッタ領域とドリフト領域の間のトップボディ領域、中間領域、及び、ボトムボディ領域に絶縁膜を介して対向しているゲート電極を有している。２つのゲート電極の間に存在する中間領域の下端の深さのばらつきが、１１０ｎｍ以下である。
なお、２つのゲート電極の間に存在する中間領域の下端の深さのばらつきとは、当該中間領域のうちの最も深い箇所の下端の深さと、当該中間領域のうちの最も浅い箇所の下端の深さとの差である。例えば、図１７の例では、差ΔＤ１が、２つのゲート電極４０の間の中間領域２４の下端の深さのばらつきである。図１は、２つのゲート電極の間に存在する中間領域の下端の深さのばらつきΔＤ１と、ゲート絶縁膜近傍の中間領域におけるｎ型不純物濃度Ｃ１の関係を示している。なお、図１では、ｎ型不純物濃度Ｃ１として、規格化した値を示している。より詳細には、深さのばらつきΔＤ１がゼロである場合（シミュレーションにより算出した値）に対して、どの程度、ｎ型不純物濃度が低くなるかを示している。図１から明らかなように、深さのばらつきΔＤ１が１１０ｎｍ以下である場合には、ｎ型不純物濃度Ｃ１は略１％前後の値で一定となる。したがって、深さのばらつきΔＤ１が１１０ｎｍ以下であれば、深さのばらつきΔＤ１が変化しても、ｎ型不純物濃度Ｃ１はほとんど変化しない。また、深さのばらつきΔＤ１が１１０ｎｍより大きくなると、急激にｎ型不純物濃度Ｃ１が変化する。このため、深さのばらつきΔＤ１が１１０ｎｍより大きいと、深さのばらつきΔＤ１が少し変化しただけで、ＩＧＢＴの特性が変化する。したがって、上記のように、中間領域の下端の深さのばらつきを１１０ｎｍ以下とすることで、量産時にＩＧＢＴの特性のばらつきを抑制することができる。
また、本明細書は、中間領域の下端の深さのばらつきを抑制することが可能なＩＧＢＴの製造方法を提供する。本明細書が開示する第１の製造方法では、ｎ型のエミッタ領域と、エミッタ領域の下側に形成されているｐ型のトップボディ領域と、トップボディ領域の下側に形成されているｎ型の中間領域と、中間領域の下側に形成されているｐ型のボトムボディ領域と、ボトムボディ領域の下側に形成されているｎ型のドリフト領域と、ドリフト領域に接しているｐ型のコレクタ領域と、半導体基板の上面から、エミッタ領域、トップボディ領域、中間領域、及び、ボトムボディ領域を貫通してドリフト領域に達する複数のトレンチと、トレンチ内に形成されており、エミッタ領域とドリフト領域の間のトップボディ領域、中間領域、及び、ボトムボディ領域に絶縁膜を介して対向しているゲート電極を有するＩＧＢＴを製造する。この製造方法は、半導体基板の上面にトレンチを形成する工程と、トレンチ内に絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜の形成後に、半導体基板上及びトレンチ内に電極層を形成する工程と、電極層の上面を平坦化する工程と、電極層の上面を平坦化後に、半導体基板の上面側から中間領域の深さにｎ型不純物を注入する工程を有する。
上記の電極層のうち、トレンチ内に形成される電極層は、ゲート電極である。電極層を形成すると、トレンチ上部の電極層の表面に凹部が形成される。仮に、この状態で半導体基板に不純物を注入すると、トレンチの周辺で他の領域よりも不純物の注入深さが深くなってしまう。したがって、この製造方法では、電極層を形成した後に、電極層の表面を平坦化する。その後、半導体基板の上面側から中間領域の深さにｎ型不純物を注入する。これによって、半導体基板内の略一定の深さに、ｎ型不純物を注入することができる。したがって、この方法によれば、略一定の深さに中間領域を形成することが可能であり、中間領域の下端の深さのばらつきを抑制することができる。
本明細書が開示する第２の製造方法では、ｎ型のエミッタ領域と、エミッタ領域の下側に形成されているｐ型のトップボディ領域と、トップボディ領域の下側に形成されているｎ型の中間領域と、中間領域の下側に形成されているｐ型のボトムボディ領域と、ボトムボディ領域の下側に形成されているｎ型のドリフト領域と、ドリフト領域に接しているｐ型のコレクタ領域と、半導体基板の上面から、エミッタ領域、トップボディ領域、中間領域、及び、ボトムボディ領域を貫通してドリフト領域に達する複数のトレンチと、トレンチ内に形成されており、エミッタ領域とドリフト領域の間のトップボディ領域、中間領域、及び、ボトムボディ領域に絶縁膜を介して対向しているゲート電極を有するＩＧＢＴを製造する。この製造方法は、半導体基板の上面にトレンチを形成する工程と、トレンチ内に絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜の形成後に、トレンチ内に、ゲート電極の上面がトレンチの上端よりも下側に位置するように、ゲート電極を形成する工程と、ゲート電極上にマスク部材を形成する工程、または、ゲート電極上において他の領域よりも厚くなるように半導体基板上にマスク部材を形成する工程と、マスク部材の形成後に、半導体基板の上面側から中間領域の深さにｎ型不純物を注入する工程を有する。
ゲート電極を形成すると、ゲート電極の上面と半導体基板の上面との間に段差（凹部）が形成される。仮に、この状態で半導体基板に不純物を注入すると、トレンチの周辺で他の領域よりも不純物の注入深さが深くなってしまう。したがって、この製造方法では、ゲート電極を形成した後にマスクを形成する。その後、半導体基板の上面側から中間領域の深さにｎ型不純物を注入する。ゲート電極上にマスクを形成すれば、トレンチの周辺で他の領域よりも不純物の注入深さが深くなることを防止できる。また、ゲート電極上において他の領域よりも厚くなるように半導体基板上にマスク部材を形成した場合にも、トレンチの周辺で他の領域よりも不純物の注入深さが深くなることを防止できる。したがって、半導体基板内の略一定の深さに、ｎ型不純物を注入することができる。したがって、この方法によれば、略一定の深さに中間領域を形成することが可能であり、中間領域の下端の深さのばらつきを抑制することができる。
また、発明者らは、ボトムボディ領域を有さないＩＧＢＴにおいても、２つのゲート電極の間に存在する中間領域の下端の深さのばらつきΔＤ１が、ＩＧＢＴの特性に大きく影響することを見出した。したがって、本明細書は、第２のＩＧＢＴを提供する。
本明細書により提供される第２のＩＧＢＴは、ｎ型のエミッタ領域と、エミッタ領域の下側に形成されているｐ型のボディ領域と、ボディ領域の下側に形成されているｎ型の中間領域と、中間領域の下側に形成されており、ｎ型不純物濃度が中間領域よりも低く、ｎ型不純物濃度が略一定であるｎ型のドリフト領域と、ドリフト領域の下側に形成されているｐ型のコレクタ領域と、半導体基板の上面から、エミッタ領域、ボディ領域、及び、中間領域を貫通してドリフト領域に達する複数のトレンチと、トレンチ内に形成されており、エミッタ領域と中間領域の間のボディ領域に絶縁膜を介して対向しているゲート電極を有している。２つのゲート電極の間に存在する中間領域の下端の深さのばらつきが、１１０ｎｍ以下である。
なお、第２のＩＧＢＴにおける中間領域の下端の深さのばらつきは、当該中間領域のうちの最も深い箇所の下端の深さと、当該中間領域のうちの最も浅い箇所の下端の深さとの差である。図１５は、２つのゲート電極の間に存在する中間領域の下端の深さのばらつきΔＤ１と、ゲート絶縁膜近傍の中間領域におけるｎ型不純物濃度Ｃ１の関係を示している。なお、図１５では、ｎ型不純物濃度Ｃ１として、規格化した値を示している。より詳細には、深さのばらつきΔＤ１がゼロである場合（シミュレーションにより算出した値）に対して、どの程度、ｎ型不純物濃度が低くなるかを示している。図１５から明らかなように、深さのばらつきΔＤ１が１１０ｎｍ以下である場合には、ｎ型不純物濃度Ｃ１は略１％前後の値で一定となる。したがって、深さのばらつきΔＤ１が１１０ｎｍ以下であれば、深さのばらつきΔＤ１が変化しても、ｎ型不純物濃度Ｃ１はほとんど変化しない。また、深さのばらつきΔＤ１が１１０ｎｍより大きくなると、急激にｎ型不純物濃度Ｃ１が変化する。このため、深さのばらつきΔＤ１が１１０ｎｍより大きいと、深さのばらつきΔＤ１が少し変化しただけで、ＩＧＢＴの特性が変化する。したがって、上記のように、中間領域の下端の深さのばらつきを１１０ｎｍ以下とすることで、量産時にＩＧＢＴの特性のばらつきを抑制することができる。
また、本明細書は、ボトムボディ領域を有さないＩＧＢＴの製造方法であって、中間領域の下端の深さのばらつきを抑制することが可能な製造方法を提供する。本明細書が開示する第３の製造方法は、ｎ型のエミッタ領域と、エミッタ領域の下側に形成されているｐ型のボディ領域と、ボディ領域の下側に形成されているｎ型の中間領域と、中間領域の下側に形成されており、ｎ型不純物濃度が中間領域よりも低く、ｎ型不純物濃度が略一定であるｎ型のドリフト領域と、ドリフト領域の下側に形成されているｐ型のコレクタ領域と、半導体基板の上面から、エミッタ領域、ボディ領域、及び、中間領域を貫通してドリフト領域に達する複数のトレンチと、トレンチ内に形成されており、エミッタ領域と中間領域の間のボディ領域に絶縁膜を介して対向しているゲート電極を有するＩＧＢＴを製造する。この製造方法は、半導体基板の上面にトレンチを形成する工程と、トレンチ内に絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜の形成後に、半導体基板上及びトレンチ内に電極層を形成する工程と、電極層の上面を平坦化する工程と、電極層の上面を平坦化後に、半導体基板の上面側から中間領域の深さにｎ型不純物を注入する工程を有する。
この方法によれば、略一定の深さに中間領域を形成することが可能であり、中間領域の下端の深さのばらつきを抑制することができる。
また、本明細書が開示する第４の製造方法は、ｎ型のエミッタ領域と、エミッタ領域の下側に形成されているｐ型のボディ領域と、ボディ領域の下側に形成されているｎ型の中間領域と、中間領域の下側に形成されており、ｎ型不純物濃度が中間領域よりも低く、ｎ型不純物濃度が略一定であるｎ型のドリフト領域と、ドリフト領域の下側に形成されているｐ型のコレクタ領域と、半導体基板の上面から、エミッタ領域、ボディ領域、及び、中間領域を貫通してドリフト領域に達する複数のトレンチと、トレンチ内に形成されており、エミッタ領域と中間領域の間のボディ領域に絶縁膜を介して対向しているゲート電極を有するＩＧＢＴを製造する。この製造方法は、半導体基板の上面にトレンチを形成する工程と、トレンチ内に絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜の形成後に、トレンチ内に、ゲート電極の上面がトレンチの上端よりも下側に位置するように、ゲート電極を形成する工程と、ゲート電極上にマスク部材を形成する工程、または、ゲート電極上において他の領域よりも厚くなるように半導体基板上にマスク部材を形成する工程と、マスク部材の形成後に、半導体基板の上面側から中間領域の深さにｎ型不純物を注入する工程を有する。
この方法によれば、略一定の深さに中間領域を形成することが可能であり、中間領域の下端の深さのばらつきを抑制することができる。
ボトムボディ領域を有するＩＧＢＴにおいて、中間領域の下端の深さのばらつきΔＤ１とゲート絶縁膜近傍の中間領域のｎ型不純物濃度Ｃ１の関係を示すグラフ。 実施形態に係るＩＧＢＴ１０の断面図（図３のＩＩ−ＩＩ線での断面図）。 実施形態に係るＩＧＢＴ１０の半導体基板１２の上面図。 第１実施例の製造方法の説明図。 第１実施例の製造方法の説明図。 第１実施例の製造方法の説明図。 第１実施例の製造方法の説明図。 第１実施例の製造方法の説明図。 第２実施例の製造方法の説明図。 第２実施例の製造方法の説明図。 第３実施例の製造方法の説明図。 第４実施例の製造方法の説明図。 他の実施形態に係るＩＧＢＴの断面図（図１４のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線での断面図）。 他の実施形態に係るＩＧＢＴの半導体基板１２の上面図。 ボトムボディ領域を有さないＩＧＢＴにおいて、中間領域の下端の深さのばらつきΔＤ１とゲート絶縁膜近傍の中間領域のｎ型不純物濃度Ｃ１の関係を示すグラフ。 第２実施形態に係るＩＧＢＴ１００の断面図。 従来のボトムボディ領域を有するＩＧＢＴの断面図。 従来のボトムボディ領域を有するＩＧＢＴの製造方法の説明図。 従来のボトムボディ領域を有さないＩＧＢＴの断面図。
図２に示す実施形態に係るＩＧＢＴ１０は、半導体基板１２と、半導体基板１２の上面及び下面に形成された電極、絶縁膜等により構成されている。
半導体基板１２の上面には、複数のトレンチ４０が形成されている。各トレンチ４０の内面は、ゲート絶縁膜４２に覆われている。各トレンチ４０の内部には、ゲート電極４４が形成されている。ゲート電極４４の上面は、キャップ絶縁膜４６に覆われている。キャップ絶縁膜４６上には、層間絶縁膜４７が形成されている。但し、図示しない位置で、ゲート電極４４は外部に接続可能とされている。図３に示すように、各ゲート電極４４は、互いに平行に伸びている。
半導体基板１２の内部には、エミッタ領域２０、ボディコンタクト領域２１、トップボディ領域２２、フローティング領域２４、ボトムボディ領域２６、ドリフト領域２８、バッファ領域３０、及び、コレクタ領域３２が形成されている。
エミッタ領域２０は、ｎ型領域であり、半導体基板１２の上面に露出する範囲に選択的に形成されている。エミッタ領域２０は、ゲート絶縁膜４２に接している。図３に示すように、エミッタ領域２０は、ゲート電極４４に沿って平行に延びている。
ボディコンタクト領域２１は、ｐ型不純物濃度が高いｐ型領域である。ボディコンタクト領域２１は、２つのエミッタ領域２０の間に形成されている。ボディコンタクト領域２１は、半導体基板１２の上面に露出している。
トップボディ領域２２は、ボディコンタクト領域よりもｐ型不純物濃度が低いｐ型領域である。トップボディ領域２２は、エミッタ領域２０とボディコンタクト領域２１の下側に形成されている。トップボディ領域２２は、エミッタ領域２０の下側において、ゲート絶縁膜４２に接している。
フローティング領域２４は、ｎ型領域であり、トップボディ領域２２の下側に形成されている。フローティング領域２４は、トップボディ領域２２によってエミッタ領域２０から分離されている。フローティング領域２４は、ゲート絶縁膜４２に接している。なお、フローティング領域２４のｎ型不純物濃度が高いほど、ＩＧＢＴ１０のオン電圧は低くなる。他方、フローティング領域２４のｎ型不純物濃度を所定値まで上昇させると、ＩＧＢＴ１０の耐電圧特性が急激に悪化する。したがって、フローティング領域２４のｎ型不純物濃度は、耐電圧特性が悪化しない範囲内で最も高い値に設定されている。フローティング領域２４は、トップボディ領域２２とボトムボディ領域２６を分離する中間領域である。
ボトムボディ領域２６は、ｐ型領域であり、フローティング領域２４の下側に形成されている。ボトムボディ領域２６は、フローティング領域２４によってトップボディ領域２２から分離されている。ボトムボディ領域２６は、ゲート絶縁膜４２と接している。
ドリフト領域２８は、低濃度のｎ型不純物を含有するｎ型領域である。ドリフト領域２８は、ボトムボディ領域２６の下側に形成されている。ドリフト領域２８は、ボトムボディ領域２６によってフローティング領域２４から分離されている。ドリフト領域２８は、トレンチ４０の下端に位置するゲート絶縁膜４２と接している。
バッファ領域３０は、ドリフト領域２８よりも高い濃度のｎ型不純物を含有するｎ型領域である。バッファ領域３０は、ドリフト領域２８の下側に形成されている。
コレクタ領域３２は、高濃度のｐ型不純物を含有するｐ型領域である。コレクタ領域３２は、半導体基板１２の下面に露出する範囲に形成されている。コレクタ領域３２は、ドリフト領域２８とバッファ領域３０によって、ボトムボディ領域２６から分離されている。
上記のように半導体基板１２の内部に各領域が形成されているので、各トレンチ４０は、エミッタ領域２０、トップボディ領域２２、フローティング領域２４、及び、ボトムボディ領域２６を貫通して、ドリフト領域２８に達するように配置されている。また、ゲート電極４４は、トレンチ４０の側面のゲート絶縁膜４２を介して、エミッタ領域２０、トップボディ領域２２、フローティング領域２４、及び、ボトムボディ領域２６と対向している。
半導体基板１２の上面には、エミッタ電極６０が形成されている。エミッタ電極６０は、エミッタ領域２０とボディコンタクト領域２１に対してオーミック接続されている。エミッタ電極６０は、キャップ絶縁膜４６及び層間絶縁膜４７によってゲート電極４４から絶縁されている。半導体基板１２の下面には、コレクタ電極６２が形成されている。コレクタ電極６２は、コレクタ領域３２に対してオーミック接続されている。
次に、ＩＧＢＴ１０の動作について説明する。エミッタ電極６０とコレクタ電極６２の間にコレクタ電極６２がプラスとなる電圧を印加した状態で、ゲート電極４４にゲート閾値電圧（ＩＧＢＴ１０をオンさせるのに必要最小限のゲート電圧）以上の電圧を印加すると、ＩＧＢＴ１０がオンする。すなわち、ゲート絶縁膜４２に接している範囲のトップボディ領域２２とボトムボディ領域２６にチャネルが形成され、電子が、エミッタ領域２０からチャネルを通ってコレクタ領域３２へ流れる。同時に、ホールが、コレクタ領域３２からドリフト領域２８に流入する。ドリフト領域２８へのホールの流入によって、ドリフト領域２８で伝導度変調現象が起こり、ドリフト領域２８の電気抵抗が下がる。したがって、電子は、低損失でドリフト領域２８内を流れる。また、ドリフト領域２８に流入したホールは、ドリフト領域２８からトップボディ領域２２に向かって流れる。しかしながら、フローティング領域２４が障壁となって、ホールがトップボディ領域２２に向かって移動することが抑制される。このため、ドリフト領域２８内のホールの濃度が高くなり、ドリフト領域２８の電気抵抗がより低減される。これによって、ＩＧＢＴ１０のオン電圧が低減される。
また、ボトムボディ領域２６が形成されていることで、ＩＧＢＴ１０の耐圧が向上する。これによって、目標値通りの耐圧を得ることができる。
次に、ＩＧＢＴ１０の製造方法を、従来のＩＧＢＴの製造方法と比較して説明する。最初に、ＩＧＢＴ１０の製造方法として、第１実施例に係る製造方法について説明する。ＩＧＢＴ１０は、ドリフト領域２８と略同じｎ型不純物濃度を有するｎ型の半導体基板（シリコン基板）から製造される。最初に、半導体基板の上面に、エッチングによって、トレンチ４０を形成する。次に、酸化またはＣＶＤ法等によって、図４に示すように、半導体基板の上面とトレンチ４０の内面に絶縁膜５０を形成する。次に、ＰＶＤ法やＣＶＤ法等によって、図５に示すように、半導体基板の上面とトレンチ４０の内部に、ポリシリコンからなる電極層５２を形成する。このとき、トレンチ４０の形状の影響によって、トレンチ４０の上部の電極層５２の表面に、凹部５４が形成される。次に、研削、研磨、エッチング、ＣＭＰ等によって、図６に示すように、電極層５２の上面を平坦化する。これによって、凹部５４を消滅させる。次に、半導体基板の上面側から、半導体基板に、不純物イオンを注入する。ここでは、エミッタ領域２０に対するｎ型不純物の注入、ボディコンタクト領域２１に対するｐ型不純物の注入、トップボディ領域２２に対するｐ型不純物の注入、フローティング領域２４に対するｎ型不純物の注入、及び、ボトムボディ領域２６に対するｎ型不純物の注入をそれぞれ行う。図６の参照番号２０ａ〜２６ａは、不純物が注入される位置を示している。参照番号２０ａはエミッタ領域２０に対するイオン注入でｎ型不純物が注入される位置を示しており、参照番号２１ａはボディコンタクト領域２１に対するイオン注入でｐ型不純物が注入される位置を示しており、参照番号２２ａはトップボディ領域２２に対するイオン注入でｐ型不純物が注入される位置を示しており、参照番号２４ａはフローティング領域２４に対するイオン注入でｎ型不純物が注入される位置を示しており、参照番号２６ａはボトムボディ領域２６に対するイオン注入でｐ型不純物が注入される位置を示している。図示するように、各イオン注入においては、トレンチ４０内の電極層５２及び絶縁膜５０にも不純物が注入される。イオン注入時における電極層５２及び絶縁膜５０の抵抗（イオンが単位距離進む際に減速する割合）と半導体層の抵抗は略等しい。したがって、上記のように電極層５２の上面を平坦化した後に不純物を注入することで、トレンチ４０内の電極層５２及び絶縁膜５０に対する不純物の注入深さと、トレンチ４０の外部の半導体層に対する不純物の注入深さを略等しくすることができる。次に、エッチングによって、不要な電極層５２をエッチングする。このとき、図７に示すように、トレンチ４０内に電極層５２を残存させる。トレンチ４０内に残存した電極層５２が、ゲート電極４４となる。次に、酸化またはＣＶＤ法等を用いて、ゲート電極４４の上面に、キャップ絶縁膜４６を形成する。次に、半導体基板を熱処理することによって、半導体基板内に注入されている不純物を、拡散及び活性化させる。これによって、図８に示すように、半導体基板内に、エミッタ領域２０、ボディコンタクト領域２１、トップボディ領域２２、フローティング領域２４、及び、ボトムボディ領域２６が形成される。イオン注入時においてトレンチ４０内とトレンチ４０外とでイオン注入深さが略等しいので、図８に示すように、各領域が略一定の深さに形成される。図８に示すように各領域を形成した後に、その他の必要な領域を半導体基板内に形成し、必要な電極、絶縁膜等を半導体基板の表面に形成することで、図２のＩＧＢＴ１０が完成する。
次に、従来のＩＧＢＴの製造方法について説明する。従来のＩＧＢＴの製造方法では、第１実施例の製造方法と同様に半導体基板に対して図５に示す状態まで加工を行う。次に、電極層５２の上面を平坦化することなく、半導体基板の上面側から半導体基板に不純物イオンを注入する。図１８の参照番号２０ｂ〜２６ｂは、この製造方法において、エミッタ領域２０、ボディコンタクト領域２１、トップボディ領域２２、フローティング領域２４、及び、ボトムボディ領域２６に対して不純物が注入される位置を示している。電極層５２の上面に凹部５４が形成されているため、トレンチ４０の近傍では、トレンチ４０から離れた位置よりも不純物の注入深さが深くなる。その後、第１実施例の製造方法と同様の工程を実施することによって、図１７に示す従来のＩＧＢＴが製造される。イオン注入時にトレンチ４０の近傍で不純物の注入深さが深くなるので、図１７に示すように、エミッタ領域２０、トップボディ領域２２、フローティング領域２４、及び、ボトムボディ領域２６が、トレンチ４０（すなわち、ゲート絶縁膜４２）の近傍でのみ深く形成される。
また、従来の別の製造方法として、エミッタ領域、トップボディ領域、フローティング領域、及び、ボトムボディ領域の各半導体領域を形成した後に、トレンチ、ゲート絶縁膜、及び、ゲート電極を形成する方法も存在する。しかしながら、この製造方法では、ゲート絶縁膜を形成する際に、半導体層内のｐ型不純物及びｎ型不純物が、ゲート絶縁膜に吸収されたり、ゲート絶縁膜を介して移動したりする現象が起きる。このため、この製造方法でも、各半導体領域を均一な深さに形成することができず、また、ゲート絶縁膜の近傍の不純物濃度を正確に制御することができない。
以上に説明したように、第１実施例の製造方法によれば、従来の製造方法よりも、エミッタ領域２０、トップボディ領域２２、フローティング領域２４、及び、ボトムボディ領域２６を均一な深さに形成することができる。これらの各領域の深さは、ＩＧＢＴの特性に影響を及ぼす。特に、フローティング領域２４の下端の深さＤ１（図２、図１７参照）のばらつきは、ＩＧＢＴの特性（ゲート閾値、オン電圧、及び、ゲート電極の容量）に大きく影響する。すなわち、図１７の従来のＩＧＢＴのように、ゲート絶縁膜４２の近傍においてフローティング領域２４の下端の位置が深くなると、ゲート絶縁膜４２の近傍のフローティング領域２４ｓのｎ型不純物濃度が低くなる。その結果、ＩＧＢＴの特性に影響が及ぶ。図１は、２つのゲート電極４４の間の領域９０（図２、図１７参照）内のフローティング領域２４の下端の深さＤ１のばらつきΔＤ１（最も浅い箇所と最も深い箇所の深さの差）と、トレンチ４０近傍のフローティング領域２４ｓのｎ型不純物濃度Ｃ１との関係を示している。例えば、従来のＩＧＢＴでは、深さのばらつきΔＤ１は、図１７の参照番号ΔＤ１に示す部分の寸法となる。また、図２のＩＧＢＴ１０では、ΔＤ１が極めて小さいため、ΔＤ１を図示していない。図１に示すように、深さのばらつきΔＤ１が１１０ｎｍより大きい場合には、深さのばらつきΔＤ１がわずかに変化しただけで、ｎ型不純物濃度Ｃ１が大きく変化する。他方、深さのばらつきΔＤ１が１１０ｎｍ以下であると、深さのばらつきΔＤ１が多少変化しても、ｎ型不純物濃度Ｃ１はほとんど変化しない。上述した第１実施例の製造方法によれば、深さのばらつきΔＤ１を１１０ｎｍ以下とすることができる。深さのばらつきΔＤ１が１１０ｎｍ以下となるようにしてＩＧＢＴを量産すれば、量産されるＩＧＢＴの間におけるフローティング領域２４ｓのｎ型不純物濃度Ｃ１のばらつきを抑制することができる。したがって、特性が安定したＩＧＢＴを量産することができる。すなわち、深さのばらつきΔＤ１が１１０ｎｍ以下である構造によれば、量産時にＩＧＢＴの特性のばらつきを抑制することができる。
次に、第２実施例の製造方法を説明する。第２実施例の製造方法でも、第１実施例の製造方法と同様にして、図５に示す状態まで半導体基板を加工する。次に、図９に示すように、半導体基板上の電極層５２をエッチングによって除去し、トレンチ４０内に電極層５２（ゲート電極４４）を残存させる。このとき、ゲート電極４４の上面が、半導体基板の上面よりも下側に位置するようにする。すなわち、半導体基板の上面に凹部５６が形成される。次に、酸化またはＣＶＤ法等を用いて、ゲート電極４４の上面に、キャップ絶縁膜４６を形成する。次に、図１０に示すように、ゲート電極４４上（すなわち、トレンチ４０上）にマスク層９２を形成する。マスク層９２は、インクジェット法や、フォトリソグラフィ技術等によって形成する。このとき、トレンチ４０外の半導体層の上部には、マスク層９２を形成しない。次に、半導体基板の上面側から、半導体基板に、不純物イオンを注入する。ここでは、エミッタ領域２０に対するｎ型不純物の注入、ボディコンタクト領域２１に対するｐ型不純物の注入、トップボディ領域２２に対するｐ型不純物の注入、フローティング領域２４に対するｎ型不純物の注入、及び、ボトムボディ領域２６に対するｎ型不純物の注入をそれぞれ行う。このとき、ゲート電極４４上に形成されたマスク層９２によって、ゲート電極４４近傍への不純物の注入深さが深くなることが防止される。これによって、ゲート電極４４への不純物の注入深さと、半導体層への不純物の注入深さが略同一となる。その後は、第１実施例と略同様の工程を実施することによって、図２のＩＧＢＴ１０が製造される。このように、第２実施例の製造方法では、凹部５６の形状の影響を受けることなく、トレンチ４０内への不純物の注入深さとトレンチ４０外の半導体層への不純物の注入深さを略同一とすることができる。このため、第２実施例の製造方法によれば、各領域が略一定の深さに形成された図２のＩＧＢＴ１０を製造することができる。
なお、第２実施例では、トレンチ４０外の半導体層の上部にマスク層９２が形成しなかった。しかしながら、図１１または図１２に示すように、半導体基板の上面全体にマスク層９２を形成し、ゲート電極４４上のマスク層９２を他の領域よりも厚くしてもよい。このような構成でも、第２実施例の製造方法と同様に、図１のＩＧＢＴ１０を製造することができる。なお、図１２では、マスク層９２の上面は平坦であるが、凹部５６の分だけゲート電極４４上のマスク層９２が厚くなっている。イオン注入時におけるマスク層９２の抵抗が半導体層と略同じであれば、図１１のようにマスク層９２の上面が平坦であってもよい。
また、上述したＩＧＢＴ１０は、トレンチ４０に沿ってエミッタ領域２０が伸びていたが、図１３、１４に示すように、トレンチ４０と交差する方向にエミッタ領域２０が伸びているＩＧＢＴに上記の技術を適用してもよい。
また、上述したＩＧＢＴ１０は、ボトムボディ領域２６を有していたが、図１６に示すようにボトムボディ領域２６を有さないＩＧＢＴ１００でも、中間領域２４の下端の位置のばらつきを抑制することで、ＩＧＢＴの特性（ゲート閾値、オン電圧、及び、ゲート電極の容量）を安定させることができる。なお、図１６の中間領域２４は、ドリフト領域２８とボディ領域２２の間に配置されており、ドリフト領域２８よりもｎ型不純物濃度が高い領域である。ドリフト領域２８内のｎ型不純物濃度は、位置によらず略一定である。すなわち、略一定の濃度でｎ型不純物が分布している領域と、その一定の濃度よりもｎ型不純物が高くなっている領域との境界が、中間領域２４とドリフト領域２８との境界である。図１６のＩＧＢＴ１００では、２つのゲート電極４４の間に存在する中間領域２４の下端の深さＤ１のばらつきが、１１０ｎｍ以下である。
図１６のＩＧＢＴ１００は、上述した第１実施例〜第４実施例の何れかの製造方法からボトムボディ領域２６に対するイオン注入を省略した製造方法によって製造することができる。この製造方法によれば、中間領域２４の下端の深さＤ１のばらつきΔＤ１を１１０ｎｍ以下とすることができる。
図１５は、中間領域２４を有しており、ボトムボディ領域を有さないＩＧＢＴにおいて、２つのゲート電極４４の間の領域９０（図１６、図１９参照）内の中間領域２４の下端の深さＤ１のばらつきΔＤ１（最も浅い箇所と最も深い箇所の深さの差）と、トレンチ４０近傍の中間領域２４ｓのｎ型不純物濃度Ｃ１との関係を示している。例えば、従来のＩＧＢＴでは、深さのばらつきΔＤ１は、図１９の参照番号ΔＤ１に示す部分の寸法となる。また、図１６のＩＧＢＴ１００では、ΔＤ１が極めて小さいため、ΔＤ１を図示していない。図１５に示すように、深さのばらつきΔＤ１が１１０ｎｍより大きい場合には、深さのばらつきΔＤ１がわずかに変化しただけで、ｎ型不純物濃度Ｃ１が大きく変化する。他方、深さのばらつきΔＤ１が１１０ｎｍ以下であると、深さのばらつきΔＤ１が多少変化しても、ｎ型不純物濃度Ｃ１はほとんど変化しない。
図１６のＩＧＢＴ１００は、中間領域２４の下端の深さＤ１のばらつきΔＤ１が１１０ｎｍ以下である。したがって、このＩＧＢＴ１００を量産すれば、量産されるＩＧＢＴの間におけるフローティング領域２４ｓのｎ型不純物濃度Ｃ１のばらつきを抑制することができる。したがって、特性が安定したＩＧＢＴを量産することができる。
なお、本明細書に開示のイオン注入方法（トレンチが形成されている領域に一定の深さで不純物を注入する方法）は、他の半導体装置（例えば、ＭＯＳＦＥＴやダイオード）を形成する場合に用いることもできる。これによって、半導体装置の特性を改善することができる。したがって、このイオン注入方法は、以下の構成１または構成２のように表すことができる。
（構成１）半導体基板内に形成されているｎ型またはｐ型の領域と、
半導体基板の上面に形成されており、前記領域を貫通するトレンチと、
トレンチ内に形成されており、前記領域に絶縁膜を介して対向しているゲート電極、
を有するスイッチング素子の製造方法であって、
半導体基板の上面にトレンチを形成する工程と、
トレンチ内に絶縁膜を形成する工程と、
絶縁膜の形成後に、半導体基板上及びトレンチ内に電極層を形成する工程と、
電極層の上面を平坦化する工程と、
電極層の上面を平坦化後に、半導体基板の上面側から前記領域の深さに不純物を注入する工程、
を有する製造方法。
（構成２） 半導体基板内に形成されているｎ型またはｐ型の領域と、
半導体基板の上面に形成されており、前記領域を貫通するトレンチと、
トレンチ内に形成されており、前記領域に絶縁膜を介して対向しているゲート電極、
を有するスイッチング素子の製造方法であって、
半導体基板の上面にトレンチを形成する工程と、
トレンチ内に絶縁膜を形成する工程と、
絶縁膜の形成後に、トレンチ内に、ゲート電極の上面がトレンチの上端よりも下側に位置するように、ゲート電極を形成する工程と、
ゲート電極上にマスク部材を形成する工程、または、ゲート電極上において他の領域よりも厚くなるように半導体基板上にマスク部材を形成する工程と、
マスク部材の形成後に、半導体基板の上面側から前記領域の深さにｎ型不純物を注入する工程、
を有する製造方法。
以上、実施例について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

Claims (6)

  1. ＩＧＢＴであって、
    ｎ型のエミッタ領域と、
    エミッタ領域の下側に形成されているｐ型のトップボディ領域と、
    トップボディ領域の下側に形成されているｎ型の中間領域と、
    中間領域の下側に形成されているｐ型のボトムボディ領域と、
    ボトムボディ領域の下側に形成されているｎ型のドリフト領域と、
    ドリフト領域に接しているｐ型のコレクタ領域と、
    半導体基板の上面から、エミッタ領域、トップボディ領域、中間領域、及び、ボトムボディ領域を貫通してドリフト領域に達する複数のトレンチと、
    トレンチ内に形成されており、エミッタ領域とドリフト領域の間のトップボディ領域、中間領域、及び、ボトムボディ領域に絶縁膜を介して対向しているゲート電極、
    を有しており、
    ２つのゲート電極の間に存在する中間領域の下端の深さのばらつきが、１１０ｎｍ以下であるＩＧＢＴ。
  2. ｎ型のエミッタ領域と、
    エミッタ領域の下側に形成されているｐ型のトップボディ領域と、
    トップボディ領域の下側に形成されているｎ型の中間領域と、
    中間領域の下側に形成されているｐ型のボトムボディ領域と、
    ボトムボディ領域の下側に形成されているｎ型のドリフト領域と、
    ドリフト領域に接しているｐ型のコレクタ領域と、
    半導体基板の上面から、エミッタ領域、トップボディ領域、中間領域、及び、ボトムボディ領域を貫通してドリフト領域に達する複数のトレンチと、
    トレンチ内に形成されており、エミッタ領域とドリフト領域の間のトップボディ領域、中間領域、及び、ボトムボディ領域に絶縁膜を介して対向しているゲート電極、
    を有するＩＧＢＴの製造方法であって、
    半導体基板の上面にトレンチを形成する工程と、
    トレンチ内に絶縁膜を形成する工程と、
    絶縁膜の形成後に、半導体基板上及びトレンチ内に電極層を形成する工程と、
    電極層の上面を平坦化する工程と、
    電極層の上面を平坦化後に、半導体基板の上面側から中間領域の深さにｎ型不純物を注入する工程、
    を有する製造方法。
  3. ｎ型のエミッタ領域と、
    エミッタ領域の下側に形成されているｐ型のトップボディ領域と、
    トップボディ領域の下側に形成されているｎ型の中間領域と、
    中間領域の下側に形成されているｐ型のボトムボディ領域と、
    ボトムボディ領域の下側に形成されているｎ型のドリフト領域と、
    ドリフト領域に接しているｐ型のコレクタ領域と、
    半導体基板の上面から、エミッタ領域、トップボディ領域、中間領域、及び、ボトムボディ領域を貫通してドリフト領域に達する複数のトレンチと、
    トレンチ内に形成されており、エミッタ領域とドリフト領域の間のトップボディ領域、中間領域、及び、ボトムボディ領域に絶縁膜を介して対向しているゲート電極、
    を有するＩＧＢＴの製造方法であって、
    半導体基板の上面にトレンチを形成する工程と、
    トレンチ内に絶縁膜を形成する工程と、
    絶縁膜の形成後に、トレンチ内に、ゲート電極の上面がトレンチの上端よりも下側に位置するように、ゲート電極を形成する工程と、
    ゲート電極上にマスク部材を形成する工程、または、ゲート電極上において他の領域よりも厚くなるように半導体基板上にマスク部材を形成する工程と、
    マスク部材の形成後に、半導体基板の上面側から中間領域の深さにｎ型不純物を注入する工程、
    を有する製造方法。
  4. ＩＧＢＴであって、
    ｎ型のエミッタ領域と、
    エミッタ領域の下側に形成されているｐ型のボディ領域と、
    ボディ領域の下側に形成されているｎ型の中間領域と、
    中間領域の下側に形成されており、ｎ型不純物濃度が中間領域よりも低く、ｎ型不純物濃度が略一定であるｎ型のドリフト領域と、
    ドリフト領域の下側に形成されているｐ型のコレクタ領域と、
    半導体基板の上面から、エミッタ領域、ボディ領域、及び、中間領域を貫通してドリフト領域に達する複数のトレンチと、
    トレンチ内に形成されており、エミッタ領域と中間領域の間のボディ領域に絶縁膜を介して対向しているゲート電極、
    を有しており、
    ２つのゲート電極の間に存在する中間領域の下端の深さのばらつきが、１１０ｎｍ以下であるＩＧＢＴ。
  5. ｎ型のエミッタ領域と、
    エミッタ領域の下側に形成されているｐ型のボディ領域と、
    ボディ領域の下側に形成されているｎ型の中間領域と、
    中間領域の下側に形成されており、ｎ型不純物濃度が中間領域よりも低いｎ型のドリフト領域と、
    ドリフト領域の下側に形成されているｐ型のコレクタ領域と、
    半導体基板の上面から、エミッタ領域、ボディ領域、及び、中間領域を貫通してドリフト領域に達する複数のトレンチと、
    トレンチ内に形成されており、エミッタ領域と中間領域の間のボディ領域に絶縁膜を介して対向しているゲート電極、
    を有するＩＧＢＴの製造方法であって、
    半導体基板の上面にトレンチを形成する工程と、
    トレンチ内に絶縁膜を形成する工程と、
    絶縁膜の形成後に、半導体基板上及びトレンチ内に電極層を形成する工程と、
    電極層の上面を平坦化する工程と、
    電極層の上面を平坦化後に、半導体基板の上面側から中間領域の深さにｎ型不純物を注入する工程、
    を有する製造方法。
  6. ｎ型のエミッタ領域と、
    エミッタ領域の下側に形成されているｐ型のボディ領域と、
    ボディ領域の下側に形成されているｎ型の中間領域と、
    中間領域の下側に形成されており、ｎ型不純物濃度が中間領域よりも低いｎ型のドリフト領域と、
    ドリフト領域の下側に形成されているｐ型のコレクタ領域と、
    半導体基板の上面から、エミッタ領域、ボディ領域、及び、中間領域を貫通してドリフト領域に達する複数のトレンチと、
    トレンチ内に形成されており、エミッタ領域と中間領域の間のボディ領域に絶縁膜を介して対向しているゲート電極、
    を有するＩＧＢＴの製造方法であって、
    半導体基板の上面にトレンチを形成する工程と、
    トレンチ内に絶縁膜を形成する工程と、
    絶縁膜の形成後に、トレンチ内に、ゲート電極の上面がトレンチの上端よりも下側に位置するように、ゲート電極を形成する工程と、
    ゲート電極上にマスク部材を形成する工程、または、ゲート電極上において他の領域よりも厚くなるように半導体基板上にマスク部材を形成する工程と、
    マスク部材の形成後に、半導体基板の上面側から中間領域の深さにｎ型不純物を注入する工程、
    を有する製造方法。
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